重慶軌道交通線網(wǎng)供電能力評(píng)估及運(yùn)營(yíng)對(duì)策

張雁珍 蘇和 謝風(fēng)華

（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120；2.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250）

0.引言

重慶軌道交通自2003年較新線建成，到2012年1、2、3、6號(hào)線初具規(guī)模，又經(jīng)歷了8年快速成網(wǎng)的過(guò)程，目前山城軌道交通已經(jīng)在各大客流密集區(qū)鋪開，并逐漸向外擴(kuò)展延伸，已開通線路9條，運(yùn)營(yíng)里程329km，開通車站170座，日均客流300萬(wàn)人。已建成16座主變電所，2025年將達(dá)到22座主變電所，由3個(gè)控制中心分別調(diào)度。重慶軌道交通供電系統(tǒng)采用110kV主變電所集中供電，主變電所資源共享，1個(gè)主變電所最多為4條軌道線路供電，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)。

重慶軌道交通從無(wú)到有20余年，從實(shí)質(zhì)性開始建設(shè)的第一條軌道交通二號(hào)線一期工程—較新線（較場(chǎng)口至動(dòng)物園段），分20個(gè)工期階段，逐漸形成了現(xiàn)在的線網(wǎng)規(guī)模，這20年間城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，客流持續(xù)增加，運(yùn)營(yíng)管理策略不斷更新，這些新的變化與早期的客流預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)輸入條件都發(fā)生了巨大的變化。另一方面，現(xiàn)在的線網(wǎng)是這20個(gè)工期階段的單一工程項(xiàng)目一個(gè)個(gè)建成的，并沒(méi)有從線網(wǎng)角度先做完每條線的設(shè)計(jì)再分期實(shí)施[1]。再加上不同的建設(shè)時(shí)序，對(duì)線網(wǎng)供電能力風(fēng)險(xiǎn)都有著不同程度的影響。

線網(wǎng)供電能力究竟能否滿足目前的運(yùn)營(yíng)需求，究竟是安全可靠還是帶病運(yùn)行，對(duì)于運(yùn)行安全可靠的線路是否還有運(yùn)力提升的空間，對(duì)于帶病運(yùn)行的線路究竟風(fēng)險(xiǎn)多高，運(yùn)營(yíng)過(guò)程有何對(duì)策。為此，需要對(duì)供電系統(tǒng)能力做出科學(xué)完整的評(píng)估，根據(jù)評(píng)估情況制定恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)營(yíng)對(duì)策，進(jìn)一步提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。

1.運(yùn)營(yíng)組織

重慶軌道交通成網(wǎng)這10年以來(lái)，無(wú)論從城市發(fā)展、人口規(guī)模、客流變化、運(yùn)營(yíng)交路等都與10年前發(fā)生了巨大的變化。

1.1 城市規(guī)模和主城區(qū)人口快速增長(zhǎng)

2010年至2020年這10年間，重慶城市規(guī)模迅速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)。這10年間主城區(qū)的常住人口增長(zhǎng)了約100萬(wàn)人，增長(zhǎng)率接近20%。經(jīng)濟(jì)總量提高了1倍。人口和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)人員流動(dòng)和交通運(yùn)輸提出了更高的要求。

伴隨著人口激增，居民出行選擇軌道交通的意愿也逐年升高。這對(duì)軌道交通的客運(yùn)能力提出了更高的要求，對(duì)不同線路的斷面高峰客流需求千差萬(wàn)別，同一條線路不同斷面的客流有著巨大的差別。例如對(duì)于三號(hào)線而言，三號(hào)線二期、北延伸的線路長(zhǎng)度與三號(hào)線一期相當(dāng)，但客運(yùn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一期。因此在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際客流量，靈活地調(diào)整運(yùn)營(yíng)交路，調(diào)整發(fā)車對(duì)數(shù)。

1.2 運(yùn)營(yíng)交路調(diào)整

軌道交通的設(shè)計(jì)之初，行車專業(yè)會(huì)按照客流預(yù)測(cè)提出配線設(shè)置，初、近、遠(yuǎn)期行車對(duì)數(shù)和行車交路，供電等各專業(yè)根據(jù)行車提資做計(jì)算和系統(tǒng)配置。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，客流的變化和分布并不均勻。

圖1是3號(hào)線和6號(hào)線歷年來(lái)日均乘次的數(shù)據(jù)對(duì)比，逐年增強(qiáng)。其中3號(hào)線在2017、2018年趨于穩(wěn)定，6號(hào)線的客流增長(zhǎng)目前還沒(méi)有即將穩(wěn)定的趨勢(shì)。對(duì)于這種高強(qiáng)度的客運(yùn)量與4號(hào)線一期、5號(hào)線北段等線路區(qū)別較大。

圖1 重慶軌道交通3號(hào)線和6號(hào)線日均客運(yùn)量

即便在同一條線路上不同斷面的客流也有很大差別，根據(jù)客流的變化，對(duì)列車編組、運(yùn)營(yíng)交路、發(fā)車對(duì)數(shù)等做出靈活的調(diào)整是非常必要的，在調(diào)整過(guò)程中有可能引起供電能力與實(shí)際運(yùn)力需求不符。

1.3 建設(shè)時(shí)序的影響

根據(jù)實(shí)際客流需求，結(jié)合建設(shè)期間投資規(guī)模的合理分配，對(duì)于長(zhǎng)大線路的軌道交通一般采用分期建設(shè)。前期設(shè)計(jì)的線路受制與線路區(qū)段和長(zhǎng)度，建設(shè)用地等多種因素，雖然也考慮了對(duì)二期工程預(yù)留相應(yīng)條件，但更關(guān)鍵的是必須先考慮在沒(méi)有二期工程時(shí)仍能在正常條件和一定程度的故障條件下運(yùn)行。對(duì)于線路較長(zhǎng)、分期較多的線路事實(shí)上很難對(duì)全線路做出規(guī)劃，甚至遠(yuǎn)期的線路走向都有可能發(fā)生調(diào)整。而二期工程建設(shè)時(shí)又必然接受一期工程的既有事實(shí)，在此條件上做后續(xù)設(shè)計(jì)，所以建設(shè)時(shí)序也是影響供電系統(tǒng)能力與實(shí)際運(yùn)力需求不一致的的影響因素之一。

1.4 從單一工程設(shè)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)

就像線路分期建設(shè)一樣，對(duì)于全線網(wǎng)的供電能力就更難于做出合理的頂層設(shè)計(jì)，對(duì)于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，互聯(lián)互通等國(guó)內(nèi)創(chuàng)新型運(yùn)行模式，非常有必要從整個(gè)線網(wǎng)的視角，對(duì)供電能力做出評(píng)價(jià)，再對(duì)每條線，每個(gè)主變電所、每個(gè)關(guān)鍵區(qū)段做精細(xì)的計(jì)算評(píng)估。

因此，根據(jù)新的邊界條件，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)重慶地區(qū)軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)及各條線路的供電能力進(jìn)行校核，掌握目前供電網(wǎng)絡(luò)中的裕量和短板為后續(xù)制定運(yùn)營(yíng)維護(hù)方案、系統(tǒng)改造升級(jí)計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)策等提供科學(xué)依據(jù)就成為一項(xiàng)迫切、非常必要的任務(wù)。

2.供電系統(tǒng)能力評(píng)估

2.1 評(píng)估目的

開展供電系統(tǒng)能力評(píng)估應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)重慶地區(qū)各條線路的供電能力進(jìn)行排查和校核，力求掌握目前供電系統(tǒng)中的裕量和短板，作為后續(xù)制定運(yùn)營(yíng)維護(hù)方案，系統(tǒng)改造升級(jí)計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)管控對(duì)策等提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 評(píng)估依據(jù)

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家、地區(qū)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)重慶地區(qū)使用的地鐵B型車、重慶地區(qū)獨(dú)有的跨座式單軌、A型山地車等不同車輛條件，以及每條線特有的能耗需求對(duì)全線網(wǎng)各種制式的線路做出供電能力評(píng)估。

收集既有線路實(shí)際運(yùn)行情況，線路的基礎(chǔ)資料、設(shè)備參數(shù)、電纜截面、變壓器容量，行車交路，發(fā)車間隔，運(yùn)營(yíng)組織、運(yùn)營(yíng)中的實(shí)際數(shù)據(jù)，變壓器實(shí)際負(fù)載率等相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、發(fā)生的故障等作為評(píng)估依據(jù)。

2.3 評(píng)估內(nèi)容

隨著軌道交通線路建設(shè)時(shí)序，首先應(yīng)對(duì)已開通運(yùn)營(yíng)對(duì)線路作為評(píng)估分析重點(diǎn)，同時(shí)對(duì)在建線路，在建主所投入運(yùn)營(yíng)情況做出動(dòng)態(tài)分析[2]。

（1）全線網(wǎng)供電能力等級(jí)評(píng)價(jià)。通過(guò)調(diào)查收集已開通線路的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)既有線路的供電能力進(jìn)行全面核算，例如，牽引所布點(diǎn)、主變壓器容量、整流機(jī)組容量、饋線電纜、中壓環(huán)網(wǎng)電纜截面等，評(píng)估供電系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的裕量和不足，找到限制供電系統(tǒng)能力提升的關(guān)鍵影響因素，對(duì)全線網(wǎng)內(nèi)各條線路供電能力做出分等級(jí)評(píng)價(jià)。

（2）每條線路供電能力評(píng)價(jià)。根據(jù)核算結(jié)果，對(duì)每條線路、每條線路的不同區(qū)段的的供電能力做出等級(jí)評(píng)價(jià)，并給出針對(duì)不同等級(jí)給出運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)策。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，調(diào)車方式是十分靈活的，運(yùn)行圖等需要根據(jù)外界情況不斷調(diào)整，而在調(diào)整的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題和關(guān)注點(diǎn)，結(jié)合這些變化進(jìn)行深入分析，得出每條線路在目前運(yùn)行交路下，現(xiàn)有的行車對(duì)數(shù)等實(shí)際情況下的供電能力評(píng)估。

（3）每個(gè)主所供電能力評(píng)價(jià)。對(duì)每個(gè)主所的供電能力做出綜合等級(jí)評(píng)價(jià)，給出對(duì)應(yīng)的主所變壓器相關(guān)建議，給出主所變壓器檢修時(shí)的線網(wǎng)主所供電調(diào)度方案。

（4）關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試。對(duì)影響供電能力的關(guān)鍵設(shè)備或關(guān)鍵方案做試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)和驗(yàn)證供電能力評(píng)估研究。

（5）與最初的設(shè)計(jì)成果對(duì)比分析。在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，上序資料主要是線路條件和行車運(yùn)營(yíng)組織，對(duì)于線路在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中車輛的行為，運(yùn)行調(diào)度的模式，由于各地區(qū)各線路存在差異，可能無(wú)法面面俱到的考慮到?？梢越Y(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的數(shù)據(jù)信息，對(duì)原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合地區(qū)情況提出指導(dǎo)建議，作為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

3.運(yùn)營(yíng)對(duì)策

3.1 制定線網(wǎng)級(jí)主所供電能力調(diào)度方案

就像線路分期建設(shè)一樣，目前投入運(yùn)營(yíng)的主變電所也是分期分批逐漸建設(shè)好疊加而成的，每個(gè)主所的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同。

因?yàn)槌鞘杏玫鼐o張，主所資源共享，所以一個(gè)主所故障在線網(wǎng)層面上其實(shí)是3條線同時(shí)故障，單一線路運(yùn)營(yíng)公司無(wú)法調(diào)度其他線路主所的供電操作。隨著運(yùn)營(yíng)條件的變化主所的功能也發(fā)生了變化，甚至原先為某條線供電主所現(xiàn)在為其他線路供電。例如2007年3號(hào)線一期初步設(shè)計(jì)時(shí)提出設(shè)置海峽路主變電所為3號(hào)線一期供電，而環(huán)線建設(shè)后海峽路作為環(huán)線的主所供電，待10號(hào)線二期通車后又將為10號(hào)線二期供電，今后，海峽路主變電所將僅僅作為3號(hào)線的備用電源使用，可見隨著軌道交通線網(wǎng)成熟，主所的使用、共享?xiàng)l件都在發(fā)生這動(dòng)態(tài)變化，這種將海峽路主所作為3號(hào)線備用電源的供電方案在2007年是無(wú)法預(yù)見的。所以，有必要將目前主變電所的實(shí)際使用情況放在全線網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)籌調(diào)配，達(dá)到供電資源利用最大化。

重慶軌道交通的互聯(lián)互通、線路跨線運(yùn)營(yíng)、主變壓器定期檢修等也對(duì)供電系統(tǒng)需要線網(wǎng)級(jí)的調(diào)度提出了切實(shí)的需求，主所必定有固定周期退出運(yùn)行的情況，隨著主所數(shù)量越來(lái)越多，運(yùn)能越來(lái)越接近遠(yuǎn)期運(yùn)能，急需形成一套功能完備，執(zhí)行方便的主所調(diào)度方案或者主所調(diào)度操作系統(tǒng)。

3.2 制定與供電能力匹配的行車組織

供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)初近遠(yuǎn)期客流和交路不同設(shè)計(jì)，預(yù)留了遠(yuǎn)期供電能力提升、設(shè)備容量擴(kuò)展的條件，但客流變化并不與客流預(yù)測(cè)完全一致，所以需要針對(duì)既有設(shè)備條件和供電能力，提出現(xiàn)有供電能力匹配的行車組織。

受限于土地利用和設(shè)備更新改造時(shí)序等問(wèn)題，在不具備設(shè)備改造或設(shè)備擴(kuò)能的情況下，就應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)有條件，科學(xué)合理的組織行車調(diào)度，在運(yùn)力提升和設(shè)備可靠性之間做到最優(yōu)均衡。

3.3 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定應(yīng)急預(yù)案

充分研究新行車組織方案下的供電能力，可以進(jìn)一步精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)單位更好地對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修操作，對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)及問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，更好地保障正常行車；協(xié)助運(yùn)營(yíng)單位制定供電設(shè)備的維護(hù)維修計(jì)劃，指導(dǎo)供電部門的運(yùn)營(yíng)工作，為地鐵線路安全可靠運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件，挖掘和提高供電系統(tǒng)的潛力和運(yùn)營(yíng)效益，全面提升供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和管理水平。

根據(jù)評(píng)估結(jié)果，對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的線路做出科學(xué)的運(yùn)營(yíng)管理規(guī)定，人員、設(shè)備投入計(jì)劃，運(yùn)營(yíng)檢修周期計(jì)劃，設(shè)備更新改造計(jì)劃，風(fēng)險(xiǎn)管控計(jì)劃。

3.4 有序的開展系統(tǒng)更新與改造

根據(jù)評(píng)估結(jié)果和實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，有序地開展系統(tǒng)設(shè)備更新改造，以提高供電能力，適應(yīng)新的運(yùn)力需求。

其中對(duì)主變電所變壓器容量的改造還要結(jié)合初近遠(yuǎn)期設(shè)備容量預(yù)留情況，新線路主變電所資源共享規(guī)劃，統(tǒng)籌安排設(shè)備增容。對(duì)于環(huán)網(wǎng)電纜、整流機(jī)組、牽引網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)必要的檢測(cè)和試驗(yàn)手段，結(jié)合預(yù)期使用壽命、耐老化性、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等綜合考慮，確定設(shè)備更新改造時(shí)序，保證供電系統(tǒng)安全可靠。

3.5 合理推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用

隨著軌道交通在我國(guó)的快速發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，通過(guò)供電能力的系統(tǒng)性評(píng)估，可以幫助運(yùn)營(yíng)部門對(duì)線網(wǎng)供電系統(tǒng)能力有更清晰的認(rèn)識(shí)，科學(xué)地提高思想認(rèn)識(shí)，升級(jí)技術(shù)手段，分享我國(guó)先進(jìn)的科技發(fā)展成果。

逐步推進(jìn)既有線路的智能化升級(jí)改造，先進(jìn)的節(jié)能手段，能耗管理體系，接觸網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)，供電系統(tǒng)教學(xué)模擬等，多維度促進(jìn)供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平的提升。

4.結(jié)論及建議

這20年來(lái)我國(guó)軌道交通的建設(shè)和發(fā)展取得了舉世矚目的成就，未來(lái)5年內(nèi)重慶軌道交通運(yùn)營(yíng)里程或?qū)⒊^(guò)500km，運(yùn)營(yíng)主變電所超過(guò)24座，牽引供電制式將涵蓋跨座式單軌供電、地鐵DC1500V供電，城軌快線AC25kV供電，還有雙流制供電技術(shù)，種類繁多。隨著時(shí)間的推移，重慶城市規(guī)?？焖侔l(fā)展，經(jīng)濟(jì)和人口持續(xù)增長(zhǎng)，市民乘坐軌道交通出行的意愿越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)軌道交通的運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平要求越來(lái)越高，對(duì)行車組織和供電能力帶來(lái)嚴(yán)峻的考研。

對(duì)于線網(wǎng)建成一定規(guī)模后，只有及時(shí)開展供電系統(tǒng)能力評(píng)估，全面掌握線網(wǎng)內(nèi)供電系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，才能科學(xué)合理地制定運(yùn)營(yíng)管理對(duì)策，調(diào)配有限的資源最大化滿足乘客出行需求，不斷提高軌道交通乘坐體驗(yàn)，推進(jìn)城市公共交通服務(wù)質(zhì)量提升。